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51单片机LED点阵屏显示设计

时间:2010-07-26


1 引言 点阵显示是集微电子技术,计算机技术,信息处理于一体的新型显示方式.由于 其具有色彩鲜艳,动态范围广,亮度高,寿命长,工作稳定可靠等优点.目前大 多数的公交车招牌都是采用固定的板块显示,显示的信息量少,内容固定,修改 站点信息比较麻烦,不能快速,便捷的更新站点信息.本文提出一种方案,采用 LED 点阵显示模块,克服了上述缺点,不仅可以静态的显示公交车站点信息,而 且也可以通过动态滚动,从而增加信息显示的容量.为了醒目,还可以产生诸如 闪动,滚动等显示效果.

1.1 车内显示器的发展现状 随着电子技术和计算机控制技术在客车上的日益广泛的应用, 客车内的路牌显示 器也经历了从灯光路牌,翻板式电子模块路牌,CRT 显示,LCD 液晶显示和 LED 点阵显示等几种发展类型; 显示信息也从固定内容发展到任意内容的多种显示方 式;对显示信息的编辑,修改,也由遥控键盘有线通讯模式发展到用计算机编辑 文字,在经专用无线控制器将其发射到各站点的通讯模式.以后的发展趋势是卫 星定位系统站点显示器,客车内站牌显示器由天线,卫星定位模块,微处理器, LED 点阵驱动电路,LED 点阵站牌和电可擦写存储器构成. 目前在客车内广泛的显示器由 LED 点阵显示器和 LCD 液晶显示器,还有部分 CRT 显示器,由于 CRT 显示器耗电量多,体积较大,且本质量较重,与 LED 点阵显示 器和 LCD 液晶显示器相比,已处于下风,目前 LED 和 LCD 显示器成为现代人们选 择之一,它们各有优缺点.LCD 液晶显示器具有图像清晰,体积小,功耗低等优 点,但它的成本高,亮度低,寿命短,可视距离和角度很有限.而 LED 显示屏具 有亮度高,故障低,能耗少,使用寿命长,显示内容多样,显示方式丰富等优点.

1.2 LED 点阵显示系统 点阵显示是集微电子技术,计算机技术,信息处理于一体的新型显示方式.由于 其具有色彩鲜艳,动态范围广,亮度高,寿命长,工作稳定可靠等优点.目前大 多数的公交车招牌都是采用固定的板块显示,显示的信息量少,内容固定,修改

站点信息比较麻烦,不能快速,便捷的更新站点信息.本文提出一种方案,采用 LED 点阵显示模块,克服了上述缺点,不仅可以静态的显示公交车站点信息,而 且也可以通过动态滚动,从而增加信息显示的容量.为了醒目,还可以产生诸如 闪动,滚动等显示效果. 目前 LED 显示屏的种类越来越多,从使用场合及亮度考虑可分为室内与室外屏, 从扫描方式可分为动态扫描显示屏和静态扫描显示屏.室外使用的交通诱导屏, 通常采用计算机同步控制的静态扫描显示,每个像素由几个高亮 LED 发光管组 成,可做成多色或全色.其优点在于播放的内容信息量大,实时性强,且由于采 用静态显示,亮度高;其缺点是硬件电路复杂,成本高.室内使用的由 8×8LED 点阵拼成的显示屏也有同步和异步之分,同步控制显示屏由计算机作为主控器, 异步控制显示屏的主控器可采用单片机.单片机控制的单色显示屏由于结构简 单,成本低廉,适合作为客车广告屏.

本文介绍的客车广告屏屏系统是智能交通系统的一部分,它是利用先进的显示, 及通信等技术手段,动态地,实时地显示公交车的站点信息,最大限度的提高公 交车站牌的信息显示量.本系统采用的 STC89C516RD+(宏晶科技)单片机是新一 代增强型 8051 单片机标准的制定者,致力于提供满足用户需求的世界级高性能 单片机技术,在业内处于领先地位,销售网络覆盖全国.在保证质量的基础上, 以极低的价格和完善的服务赢得了用户的长期信赖.在广受欢迎的 STC89C51 全 系列单片机的基础上,现全力推出"1 个时钟/机器周期"的单片机,全面提升 8051 单片机性能.用该单片机作为系统的中央控制单元,负责产生和控制扫描 信号,读出显示缓冲区的数据送给扫描驱动电路,使 LED 点阵屏按照一定的要求 显示.根据设计要求,显示方式要具有掉电存储功能,因此,在单片机外围电路 加上 I2C 总线的 EEPROM,利用单片机外部中断功能检测出来所需要的显示方式, 并把它存储在该 EEPROM 内,这样,即使断电显示方式也仍然存储在该 EEPROM 里面,单片机再重新读取该 EEPROM 里面的内容,也就是断电前的显示方式.结 合 KEIL 软件编程,实现了 PC 机通信,控制界面以及安全措施,从而大大丰富了 系统功能,提高了系统的可操作性,使达到交互式与智能化,符合未来交通系统 智能化,网络化的发展方向.利用该系统,可以实现同一站牌不同方向客车站点

的静态显示,动态显示和定时显示控制,另外用来应对交通突发事件,作为应急 告示,达到疏散交通,保护人们安全的目的. 设计时考虑到系统的扩展加上升级模块,可以实现系统的远程升级;加上公交车 到站时间预测模块,可以预测到公交车到站的时间,方便行人;加上网络模块, 可以连接互联网,直接通过互联网进行控制,也为以后的智能交通打下基础. 2 LED 点阵显示的理论基础 LED 点阵显示的基础理论包括光电子学,半导体器件,数字电子电路,大规模集 成电路,单片机及微机等各个方面,既有硬件又有软件.上述各个领域都有自成 体系,本文无法一一尽述,只能以显示屏为主线进行讨论,主要阐述了 LED 器件 的应用基础和工作原理,以及 LED 点阵模块的构成和工作原理.

2.1 LED 器件的应用基础 LED 器件种类繁多. 早期 LED 产品是单个的发光灯, 随着数字化设备的出现, LED 数码管和字符管得到了广泛的应用. LED 发光灯可以分为单色发光灯,双色发光灯,三色发光灯,面发光灯,闪烁发 光灯,电压型发光灯等多种类型.按照发光灯强度又可以分为普通亮度发光灯, 高亮度发光灯等. LED 发光灯的外形由 PN 结,阳极引脚,阴极引脚和环氧树脂封装外壳组成.其 核心部分是具有注入复合发光功能的 PN 结.环氧树脂封装外壳除具有保护芯片 的作用外,还具有透光聚光的能力,以增强显示效果. LED 器件通常用砷化镓(GaAs),磷化镓(GaP)等半导体材料制成.当向 LED 器件施加正向电压时,器件内部的电子与空穴直接复合而产生能量,以光的形式 释放出来,产生半导体发光.因此 LED 的驱动就是如何使它的 PN 结处于正偏状 态,而且为了控制它的发光强度,还要解决正向电流的调节问题.具体的驱动方 法可以分为直流驱动,恒流驱动,脉冲驱动和扫描驱动等[2].

2.2 LED 点阵模块 显示单元(Display unit)由电路及安装结构确定的并具有显示功能的器件组成

LED 显示屏的最小单元,也叫点阵显示模块. 点阵显示屏是由上万个或几十万个 LED 发光二极管组成, 每个发光二极管称为一 个像素.为了取得良好的显示一致性并简化器件结构,八十年代以来出现了组合 型 LED 点阵显示器, 以发光二极管为像素, 它用高亮度发光二极管芯阵列组合后, 环氧树脂和塑模封装而成,即所谓的点阵模块.点阵模块具有高亮度,功耗低, 引脚少,视角大,寿命长,耐湿,耐冷热,耐腐蚀等特点.按照颜色的不同分为 单基色,双基色和三基色三类,可显示红,黄,绿,蓝,橙等颜色.按照点阵规 模大小分有 4×4,4×8,5×7,5×8,8×8,16×16,24×24,32×32,40×40 等.按照像素的直径大小分有 φ3,φ3.75,φ5,φ10,φ20 等.

(a) 外部结构

(b) 内部结构 图 1 8×8 点阵结构 图 1 为 8×8 单基色点阵的结构图,从内部结构可以看出 8×8 点阵共需要 64 个 发光二极管,且每个发光二极管是放置在各行和列的交叉点上.当对应的某一列 置高电平,另一列置低电平时,则在该行和列的交叉点上相应的二极管就亮. LED 显示屏就是由若干个点阵模块组成的,它通过一定的控制方式,就可以显示 文字,文本,图形,图像,动画等各种信息,以及电视,录像信号.

3 方案设计 从前两节的论述中可以看出 LED 点阵显示技术已经相当成熟.实现方案非常多. 本文要设计的是客车内 LED 点阵显示屏,根据客车内的特殊环境,选择方案时就 要考虑公交车的车身尺寸,震动,温度等对显示屏的影响,以及客车内电源的局 限性,为了节约电能,采用太阳能电池供电,就要使显示屏功耗降到最低.

3.1 显示方案

根据论文的设计要求, 本文提出了以下几种方案, 对比论证, 选取较合适的方案. (1)CRT 监视器设计方案:在站牌出安装一小型彩色监视屏,将站点信息显示 在 CRT 监视器上,供行人查阅.站点信息放在存储器内,通过无线广播的方式进 行数据更新.这种方案的优点:是成本比较低,可以采用淘汰下来的电视机作为 监视器;缺点是:耗电量巨大, CRT 显示器在阳光下的显示效果不理想. (2)LED 点阵显示屏设计方案:整个站牌由 LED 显示屏构成,站点信息在点阵 屏幕上显示, 并且可以以静态的方式固定显示站点或者以动态的方式轮流显示所 有的站点.系统通过 RS485 或者互联网进行更新,升级.这种方案的优点是:成 本相对比较低廉,能及时动态的显示站点信息,显示的信息容量也比较大,便于 远程控制和升级.缺点是:受目前 LED 显示技术的限制,对于图像和视频显示的 效果不是很理想. (3)液晶显示器(或者等离子)设计方案:由液晶(等离子)显示器构成站牌, 不但能显示站点信息,还可以显示图象或者视频信息,站点信息经过专用电缆或 者互联网络传送.这种方案的优点是能在有限的站牌上显示更多的信息,尤其是 图像和视频信息,缺点是成本太高,数据传输量巨大,不适合推广使用. 通过比较上述三种方案,可以发现 LED 点阵显示方案有很大的可行性,而且其系 统的升级也比较方便,便于推广使用,适应现代化建设的发展需求.

3.2 控制电路方案 控制电路有两种选择,数字电路控制和 CPLD 控制. 数字电路控制的原理是 LED 点阵显示屏由单片机控制电路和显示驱动电路两大 部分组成,一般的单片机控制部分采用 ATMEL 公司的 51 系列单片机,考虑到它 的 ROM 相对较小, 这里采用增强型的 51 单片机 STC89C516RD+(宏晶科技)单片机, 显示驱动部分由 16 片 8×8 LED 点阵模块和相应的驱动电路组成,位码扫描信号 和段码信号都有单片机提供. 由 CPLD 器件组成的控制电路,具有很高的可靠性和设计灵活性,所实现的显示 效果样式较多,但采用可编程逻辑器件 CPLD 的设计成本相对较高. 由于采用由单片机组成的控制电路已能完成设计的要求, 且其性价比要优于采用 由 CPLD 组成的控制电路.因此,本文采用前者作为控制电路.

3.3 系统框图 整个系统由两大模块组成:主控制单元和辅助控制单元模块.其框图如下所示.

图 2 主控制单元结构框图

图 2 为主控制单元结构框图, 它主要完成的功能是 LED 点阵的显示和定时显示控 制.DS1302 为时钟芯片,为显示准确的时间; DS18B02 是温度控制芯片,显示 车内的温度;AT24C256 是容量为 256Kbit 的 E2ROM,用来保存扫描方式的数据的 信息,以及广告信息和更新广告信息等其它待显示的信息.RS232 通信模块用来 更新显示信息和升级系统.

4 系统硬件设计 4.1 显示屏驱动显示电路 显示屏分成屏体和控制器两部分, 屏体的主要部分是显示阵列以及有行列驱动电 路.根据安装环境的空间以及考虑成本造价,决定使用多大尺寸的显示屏,从而 决定了显示模块的数量,这里以 8×8 点阵为例,模块单位为 256 点阵,即需要

16 块点阵模块,如图 4 示.汉字一般是 256 点阵,那么该屏可以一次显示 4 个 汉字. 采用扫描方式进行显示时,分成两步,对于每行有一个行驱动器,各行的同名列 共用一个列驱动器,由单片机给出行选通信号,从第一行开始依次对各行进行扫 描,对于列,根据各列所存数据,确定相应的列驱动器是否将该列与行接通,如 果接通,那么该行该列的 LED 将亮,以同样方法进行显示全部各行都扫描一遍之 后(一个扫描周期),再从第一行开始,进行下一个周期的扫描.只要一个扫描周 期的时间比人眼 1/25 秒的滞留时间短,就不会感觉出闪烁现象. 显示数据从驱动芯片到显示模块是以并行方式传输的, 但显示数据从单片机到驱 动芯片是以串行方式传输的,由于串行传输的控制电路简单,设计容易,缺点是 串行数据传输需要很长的时间,不过这可以由软件来弥补,也可考虑单片机的控 制速度. 显示驱动电路由 74HC595 组成.74HC595 输入端是 8 位串行移位寄存器,输出端 是 8 位并行缓存器具有锁存功能.由于 CLK,LOAD 端相连,而数据线分开,这样 在同一脉冲下,行列的数据可以同时进行传入,行列数据准备好后,启动 LOAD 信号使所有数据同时输出并锁存,这样的设计较之传统方法提高了 4 倍的速度, 占用 I/O 口少, 由于 CLK, LOAD 引线较长, 为避免线间干扰, 在驱动 6 片 74Ls595 之后再加驱动芯片 74L5244 以驱动下一级驱动电路. 行列扫描驱动相当于对发光管脉冲供电,要获得与直流驱动方式相当的发光强 度,脉冲驱动电流的平均电流 I1 与直流电流 I2 相同,它们与脉冲电流幅值 If 的关系为 If=Ton/Th,×I1 是扫描周期,Ton 是导通时间,占空比是 1/16,扫描 频率应大于 24HZ,I 取 8mA,那么 I=8×16=128mA,发光管压降取 2V,那么每个 发光管应串接 50 的电阻.行驱动最大瞬间电流能达到 128×80=10.240A. LED 显示屏驱动电路的设计,与所用控制系统相配合,通常分为动态扫描型驱动 及静态锁存型驱动二大类.以下就动态扫描型驱动电路的设计为例为进行分析: 动态扫描型驱动方式是指显示屏上的 4 行,8 行,16 行等 n 行发光二极管共用一 组列驱动寄存器,通过行驱动管的分时工作,使得每行 LED 的点亮时间占总时间 的 1/n,只要每行的刷新速率大于 50Hz,利用人眼的视觉暂留效应,人们就可以 看到一幅完整的文字或画面. 常规型驱动电路的设计一般是用串入并出的通用集

成电路芯片如 74HC595 或 MC14094 等作为列数据锁存,以 8050 等小功率 NPN 三 极管为行驱动,而以达林顿三极管如 TIP127 等作为行扫描管.如动态扫描型驱 动方式是指显示屏上的 4 行,8 行,16 行等 n 行发光二极管共用一组列驱动寄存 器,通过行驱动管的分时工作,使得每行 LED 的点亮时间占总时间的 1/n,只要 每行的刷新速率大于 50Hz,利用人眼的视觉暂留效应,人们就可以看到一幅完 整的文字或画面. 常规型驱动电路的设计一般是用串入并出的通用集成电路芯片 如 74HC595 或 MC14094 等作为列数据锁存,以 8050 等小功率 NPN

图 3 显示驱动电路 三极管为列驱动,而以达林顿三极管如 TIP127 等作为行扫描管.如以单色点阵, 16 行×64 列为一个基本单元,则需用 8 片 74HC595,16 个行扫描管,其工作原 理为:将八片 74HC595 级连,共用一个串行时钟 CLK 及数据锁存信号 STR.当第 一行需要显示的数据经过 8×8=64 个 CLK 时钟后将全部移入 74HC595 中, 此时产 生一个数据锁存信号 STR,使数据锁存在 74HC595 的后级锁存器中,同时由行扫 描控制电路产生信号使第一行扫描管导通,相当于第一行 LED 的正端都接高平, 显然第一行 LED 管子的亮,灭取决于 74HC595 中所锁存的信号;在第一行 LED 管子点亮的同时,在 74HC595 中移入第二行需要显示的数据,随后将其锁存,并 同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行, 使第二行 LED 管子点

亮……以此类推,当第十六行扫描过后再回到第一行,只要扫描速度足够高,就 可形成一幅完整的文字或图像,其工作时序见图 4.

图 4 串行移位工作时序图

4.2 显示屏主控制电路 在控制领域 51 系列,PIC 系列以及 AVR 系列单片机是常用的微型控制器,每个 系列都有自己的优缺点,在某些方面都有自己的长处.在具体的设计当中要综合 考虑,如单片机的资源是否满足系统要求,系统是否有严格的速度要求,系统对 控制器的抗干扰能力,硬件的加密性,外围电路是否简单,是否有比较齐全的成 熟的开发,调试工具,如果要生产的话,则还要考虑价格和供货渠道等因素.

4.2.1 控制器的比较及选型 PIC 系列单片机:PIC 单片机采用精简指令使其执行效率大为提高.PIC 系列 8 位 CMOS 单片机具有独特的 RISC 结构,数据总线和指令总线分离的哈佛总线 (Harvard)结构,使指令具有单字长的特性,且允许指令码的位数可多于 8 位 的数据位数,这与传统的采用 CISC 结构的 8 位单片机相比,可以达到 2:1 的代 码压缩,速度提高 4 倍.PIC 有优越开发环境.PIC 在推出一款新型号的同时推 出相应的仿真芯片,所有的开发系统由专用的仿真芯片支持,实时性非常好.其 引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至 220V 交流电源,可直接与继电器 控制电路相连,无须光电耦合器隔离,给应用带来极大方便.PIC 以保密熔丝来 保护代码,用户在烧入代码后熔断熔丝,别人再也无法读出,除非恢复熔丝.目

前,PIC 采用熔丝深埋工艺,恢复熔丝的可能性极小.自带看门狗定时器,可以 用来提高程序运行的可靠性. AVR 系列单片机:是一种新型的单片机.运行速度快,一个时钟周期执行一条指 令.硬件应用哈佛(Harvard)结构,具有预取指令功能,即在执行一条指令时, 预先把下一条指令取进来,使得指令可以在一个时钟周期内执行.AVR 单片机是 多累加器型,数据处理速度快.超功能精简指令,具有 32 个通用工作寄存器, 相当于有 32 条立交桥,可以快速通行.相当多的单片机只有一个累加器,就像 一条独木桥,所有事都要通过累加器,速度慢.AVR 单片机系列中有 128B~4KB 的 SRAM 静态随机数据存储器,可灵活使用指令运算,存放数据,中断响应速度 快.AVR 像 8051 一样,有多个固定中断向量入口地址,可快速响应中断.高级 C 语言编程效率高.从高级语言 C 代码完成同一任务实例来比较,8 MHz AVR 单片 机的速度相当于 224 MHz 的 80C51 单片机,AVR 比 80C51 快 28 倍.AVR 是低功耗 单片机,具有休眠省电功能(Power Down)及闲置(Idle)低功耗功能.一般耗电在 1~2.5 mA;对于典型功耗情况,WDT 关闭时为 100 nA,更适用于电池供电的应 用设备.有的器件最低 1.8 V 即可工作.可多次烧写的 Flash,且具有多重密码 保护锁死(Lock)功能.I/O 口功能强,驱动能力大,具有输入/输出,三态高阻 输入, 也可设定内部拉高电阻作输入端的功能, 以便于应用到各种所需的场合(多 功能 I/O 口). 51 系列单片机: 系列是指是兼容 Intel 公司 51 指令集的单片机系列的统名称. 51 这种单片机所包括的硬件资源有: (1)一个 8 位的微处理器; (2)片内数据存储器 RAM,用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果,最 终结果以欲显示的数据等; (3)片内程序存储器 ROM/EPROM,用以存放程序,一些原始数据和表格; (4)四个 8 位并行 I/O 接口 P0~P3,每个口可以用作输入,也可以用作输出; (5)两个(或三个)定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方 式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时 的结果实现计算机控制; (6)五(或六个)个中断源的中断控制系统;

(7)一个全双工 UART 接口(通用异步接收发送器)的串行 I/O,用于实现单片 机之间或单片机与微机之间的串行通信; (8)片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容须要外接.可以看出 MCS-51 系列单片机也是一款功能强大的单片机. STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/ 高速/ 低功 耗的单片机,指令代码完全兼容传统 8051 单片机,12 时钟 / 机器周期和 6 时钟/机器周期可任意选择,最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路. 特点如下: (1).增强 6 时钟/机器周期,12 时钟/机器周期 8051CPU; (2)工作电压:5.5V~3.4V(5V 单片机)/3.8V~2.0V(3V 单片机); (3)工作频率范围:0~40MHz,相当于普通 8051 的 0~80MHz 实际工作频率可达 48MHz; (4)用户应用程序空间 4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节; (5)片上集成 1280 字节/512 字节 RAM; (6)通用 I /O 口(32/36 个)复位后为:P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉(普 通 8 051 传统 I /O 口),P0 口是开漏输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电 阻,作为 I /O 口用时,需加上拉电阻; (7)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器/仿真,可 通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,8K 程序 3 秒即可完成一片; (8)EEPROM 功能; (9)看门狗; (10)内部集成 MAX810 专用复位电路(D 版本才有),外部晶体 20M 以下时, 可省外部复位电路; (11)共 3 个 16 位定时器/计数器,其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器 使用; (12)外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部 中断低电平触发中断方式唤醒; (13)通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个 UART; (14)工作温度范围:0~75℃/-40~+85℃;

(15)封装:PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44. 从以上几种型号单片机的比较中可以看出,PIC 单片机,AVR 单片机虽然在很多 方面都有其特点,如在运行速度上,内部资源的配置等.但因其价格高,开发工 具不及使用 51 系列单片机齐全,再考虑本系统对 CPU 的要求并不是很高,综合 考虑还是选用已经普及的 51 内核的单片机.

4.2.2 EEPROM 存储器的选用 为了能将系统所设定的常数,如更新的站点信息,设定的定时显示时间在系统掉 电之后仍能恢复,在设计时必须考虑将常数保存起来.由于 STC89C516RD+单片 机片内没有 EEPROM,须采用外部扩展方式.在系统的设计过程中,为了取得较 大的系统余量,常采取存储芯片 AT24C256,按照 16×16 的点阵来算,可以存储 1000 个字符,对于一个客车广告屏屏来说容量已经足够. AT24C256 接口采用 I2C 总线接口方式.I2C 总线是一种用于 IC 器件之间连接的 二线制总线.连接总线的器件的输出必须是集电极或漏极开路,以具有线"与" 功能.I2C 总线的数据传送速率在标准工作方式下为 100kbit/s,在快速方式下, 最高传送速率可达 400kbit/s.它通过 SDA(串行数据线)及 SCL(串行时钟线) 两根线和连在总线上的上位机进行通信,并根据地址识别每个器件.采用 I2C 总线标准的单片机或 IC 器件,其内部不仅有 I2C 接口电路,而且将内部各单元 电路按功能划分为若干相对独立的模块,通过软件寻址实现片选,减少了器件片 选线的连接.CPU 不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线,还可对 该单元的工作状况进行检测,从而实现对硬件系统既简单又灵活的扩展与控制.

表 1 24C256 的管脚介绍

4.2.3 控制单元和存储单元电路 用 PC 机实现的主要功能包括单片机显示子系统的(选择显示方式选择,包括静 态,闪动,滚动,打字等),滚动方向选择(包括上下滚动和左右滚动),动态 显示速度调节(即文字闪动频率,滚动速度,打字),显示速度等.显示采用定 时器中断方式进行行扫描,每次中断显示一行,定时中断时间为 1.25ms,这样 整屏的刷新率为 50Hz,因而无闪烁感.实现动态显示速度调节的方法通常是改 变定时器的中断时间,但是当显示速度很慢的时候,该方法容易使整屏的刷新率 降低,从而使显示内容出现闪烁.因此,本设计采用一种"软定时"方法,即在 程序中命名一个变量作为"软定时器",以用来设定两次动态显示的时间间隔. 在对定时中断调用计数时,如果调用次数达到设定值,则改变显示内容.为保证 能够正常显示,"软定时器"的设定值必须大于整屏显示周期.由于显示屏每行 显示 1.25ms,整屏显示周期为 20ms,考虑到余量的情况,可将软定时器的设定 值定在大于 30ms.如此循环计数,即可实现动态显示."软定时器"的设定值 可以通过上位机 PC 机来改变,这样既可实现 LED 动态显示的速度调节,又可保 持显示内容的流畅和无闪烁感. 以上提到的静态,闪动,滚动和打字等 4 种显示方式,实际上是单片机定时中断 程序进行行扫描处理的不同方法.下面将分别说明如何实现这 4 种显示方式.静 态显示只需在定时中断处理程序中从显示缓冲区调入相应的一行显示数据, 然后 选中该行即可实现该行的显示,如此循环,便可显示整个内容. 闪动显示与此类似, 不同的是要间隔一个"软定时器"的定时时间, 在行扫描时, 行移位寄存器的 D 端打入的数据全为 0,可使得整屏不显示,以确保黑屏的时间

与显示当然时间相等,从而实现汉字或图符的闪动显示. 滚动显示要求需要显示的内容每隔一定时间向指定方向这里以从右向左为例移 动一列,这样显示屏可以显示更多的内容.为此,需要在下次移动显示之前对显 示缓冲区的内容进行更改, 从而完成相应点阵数据的移位操作. 具体操作方法是: 设置一个显示缓冲区,该区应包括两部分,一部分用来保存当前 LED 显示屏上显 示的 4 个汉字点阵数据;另一部分为点阵数据预装载区,用来保存即将进入 LED 显示屏的 1 个汉字的点阵数据.滚动指针始终指向显示屏的最右边原点.当滚动 指针移动到需要显示的点阵数据存储区的第 1 个汉字的首地址时,内容.需要注 意的是,要确保该操作能在 1.25ms 的中断时间内完成(这里 STC89C516RD+采用 24MHz 晶振实验证明可以实现该操作).这样,在一个扫描周期后,整个汉字将 左移一列,而显示缓冲区的内容也同时更改.由于预装载区保存了 1 个汉字点阵 数据,即 16×16 点阵,所以当前显示缓冲区的内容只能移动 16 列.当下一个滚 动到来时,滚动指针将移动到点阵数据存储区的下一个汉字的首地址,并在预装 载区存入该汉字的点阵数据.然后重复执行上述操作便可实现滚动显示.特殊字 符或图形的显示与此类似,这里不再赘述.打字显示要求汉字在显示屏上按从左 到右的顺序一个个的出现,如同打字的效果.设计时可采用如下方法:首先将 LED 显示屏对应的显示缓冲区全部清零,即 LED 显示空白,然后每间隔一个"软 定时器"设定的动态显示时间, 显示缓冲区依次加入一个汉字点阵数据并进行扫 描显示,这样就可达到打字显示的效果. DS1302 慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和 31 字节的静态 RAM. 它经过一个 简单的串行接口与微处理器通信.实时时钟/日历提供秒,分,时,日,周,月 和年等信息.对于小于 31 天的月,月末的日期自动进行调整,还包括了闰年校 正的功能.时钟的运行可以采用 24 小时或带 AM(上午)/PM(下午)的 12 小时 格式.使用同步串行通信,简化了 DS1302 与微处理器的通信.与时钟/RAM 通信 仅需三根线:(1)RST(复位),(2)DO(数据线)和(3)SCLK(串行时钟). 数据可以以每次一个字节或多达 31 字节的多字节形式传送至时钟/RAM 或从其中 送出.DS 1302 设计成能在非常低的功耗下工作,消耗小于 1 微瓦的功率便能保 存数据和时钟信息. 传感器部分采用美国 dallas 半导体公司的 DS18B20.温度测量范围为-55℃~

+125℃,DS18B20 是一种继 DS1820 之后新推出的一种改进型智能温度传感器. 与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测的温度.DS18B20 是支持"一线总 线"接口的温度传感器,对 DS18B20 读出或写入信息仅需要一条线路,因此电路 连接简单,一条线上可同时扩展多个传感器,以增加测量的准确性,该传感器支 持 3.0V~5.5V 的电压范围,可靠性高,体积小,更经济,更灵活.

4.2.4 远程通信电路 在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同 的设备可以方便地 连接起来进行通讯. RS-232-C 接口(又称 EIA RS-232-C)是目前最常用的一 种串行通讯接口. 在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系.即:逻 辑"1",-5— -15V;逻辑"0" +5— +15V .噪声容限为 2V.即要求接收器能识别低至+3V 的信号作为逻辑"0",高到-3V 的信号作为逻辑"1".RS-232-C 接口连接器一 般使用型号为 DB-25 的 25 芯插头座,通常插头在 DCE 端,插座在 DTE 端.一些 设备与 PC 机连接的 RS-232-C 接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条 接口线,即"发送数据","接收数据"和"信号地".所以采用 DB-9 的 9 芯 插头座,传输线采用屏蔽双绞线.由 RS-232C 标准规定在码元畸变小于 4%的情 况下,传输电缆长度应为 50 英尺,其实这个 4%的码元畸变是很保守的,在实际 应用中,约有 99%的用户是按码元畸变 10-20%的范围工作的,所以实际使用中最 大距离会远超过 50 英尺.电路原理如图 11 所示,使用 RS-232C 的 4,6 和 1,7, 8 分别进行短接,将 2,3 脚引出通过 MAX232 电平转换后连接到单片机的串口, 在通信的时候,尽量要选用低的波特率,这样不容易出现错误,单片机的晶振频 率最好选用 11.0592MHZ,有利于正确传输数据[12].

图 5 远程通信电路

5 系统软件设计 5.1 显示屏主体显示 本设计采用 LED 点阵显示屏设计方案, 初步实现了在同一公交站牌显示不同公交 车次,以及动态和静态的显示. 程序在初始化后将存储在 ROM 内部的站点信息读出,送至单片机的 RAM,初步的 进行汉字点阵转换,转换后的数据再经过显示效果处理,比如站点信息的左移显 示,右移显示,上下移动显示,滚动显示,等等.最后送入数据缓冲区,调用显 示子程序,完成广告信息的显示.主程序的流程图如图 12 所示. 显示子程序的任务是将缓冲区的数据读出,然后送到点阵屏显示.点阵显示的原 理是按照列进行选择,然后通过串并转换,将一列的显示数据送至选择的列排点 阵中,然后选择下一列,重复这样的步骤,就可以实现数据的显示.显示子程序 的流程图如图 13 所示.

图 6 主程序流程图 图

图 7 显示流程

5.2 显示屏显示效果 显示添加上效果处理后,增添了动态效果,能达到更好的显示效果.主程序在开 始的时候设置要显示的效果,在显示效果子程序中,程序判断需要显示的效果后 调用不同的显示效果处理程序,对缓冲区内的数据进行效果处理,最后再送入显 示缓冲区,等待显示调用.其程序流程图如图 14 所示.

图 8 显示效果流程图

5.3 远程通信设计 在远程通信程序中单片机主要完成接收 PC 机通过串口发送过来的公交车站点数 据.采用中断接收方式.在中断服务子程序中,为了区别所接收的信号是联络信 号还是字节数,是数据还是校验和,需要对接收到的数据进行辨别.首先在主程 序开始中进行设定, 若接受到的是 01H, 则判定为接收联络信号; 接收到的是 02H, 则判定为接收命令信号;若接收到的是 03H,则判定为接收数据信号;接收到的 是 04H,判定为接收数据开始标志信号;接收到 05H,判定为结束接收数据标志 信号[13]. 程序在初始化后,首先调用单片机内部 ROM 区存储的站点信息,当有远程通信的 数据到来时候,先将接收到的数据送到单片机内部的数据缓冲区,进行数据辨别 和处理之后,再送到外部的 E2 ROM 中,将这些处理之后,再开始调用外部存储 器的站点信息. 单片机远程通信程序的流程图如图 16 所示. 设置 STC89C516RD+的串行口工作于第 3 种方式:9 位异步传输,波特率由定时器 1 的溢出率决定.数据帧共 12 位,四个用于起停和命令标志位,8 位数据放在四

位标志位之后,接收时存入 RB8,发送时取 TB8 中的值,由硬件自动完成.波特 率设定为 9600bps,串行口初始化后,需有一个时间延迟再接收数据,数据接收 完后也需一个时间延迟后再转入接收状态. 在串行通信 RS232 收发器控制方面,平时置 P1.0 为低,使串行口处于侦听状态, 当有串行中断时,则置 P1.0 为高,发送应答信息,然后再置 P1.0 为低接收控制 指令,继续保持 Pl.0 为低,使串行收发器处于接收状态,在这些过程中,涉及 收,发等功能转换.

图 9 远程通信流程图

6 系统测试结果 系统在测试的过程中,硬件电路相比较复杂,加上对点阵电路的研究不够深入, 刚开始设计的时候,走了很多的弯路.尽管没有出现大的异常情况.但在软件调

试过程中,出现一些问题: (1)单片机输出的信号在点阵屏幕上显示为乱码,不能正确显示字符,通过示 波器的跟踪观察,确定为输入锁存芯片 74SC244 信号选择端没有正确连接所致, 通过将电路修改后解决问题. (2)芯片编程出现错误,更换芯片后仍不能解决问题,经仔细查找后发现刚开 始选用的 AT89S52 的 ROM 空间不够所致,所烧写的程序代码已经超过 AT89S52 内部的 4KB 的 ROM 空间,选用宏晶科技的 STC89C516RD+单片机并且外加一片 AT24C256 芯片后解决问题.

7 结论 本文所讨论的客车广告屏的设计采用了宏晶科技的 STC89C516RD+单片机作为系 统的中央控制单元,并结合软件编程,实现同一站点不同方向客车的静态显示, 动态显示,简化了系统操作,丰富了系统功能,符合未来交通智能化,网络化的 发展方向. 本系统经过改进后还可以应用到广告宣传的领域, 通过远程通信实现对点阵屏幕 的远程控制.在通信网络日益完善,通信工具日趋普及的今天,是一种很值得推 广的技术.该系统具有较高的性能价格比,由此开发出的智能信息显示产品符合 未来智能交通的发展方向,很具市场发展潜力. 致谢 在本次挑战杯设计过程当中, 指导老师赵明富和其他老师以及同学们都给予了很 大的帮助支持,赵老师严谨的治学态度和务实的求知精神给我留下了很深的印 象,他们鼓励我孜孜不倦,锐意进取,特别是在困难的时候,他有意识地培养我 独立思考和解决问题的能力.赵老师的严格要求,令我以后的工作和生活当中受 益匪浅.在此,对他们所给予的指导和帮助表示最衷心的感谢. 参考文献 [1]王宏民.LED 点阵显示屏驱动方案[J].黑龙江电子技术,1999(5):1~2. [2] 眭碧霞.用单片机串行口实现动态扫描 LED 显示 [J] .电子工程师, 2006(6) [3]李熹霖.谈 LED 大屏的刷新频率和换帧频率[J].现代显示, 2004(1) [4]庞家成.多功能 LED 信息显示屏的设计[J].现代显示技术, 2006(9)

[5]周小平.LED 显示屏及其扫描电路的硬件及软件实现[J].印刷电路信息, 2005(1) [6] 虞鹤松.LED 显示屏高速数据通讯接口设计 [J] 国外电子元器件, 2005(2) . [7]郭兆正等.LED 点阵显示屏系统设计[J].渤海大学学报, 2005(12) [8]郝金刚.LED 产业分析报告[J].现代显示, 2006(3) [9]张新鸣.公交无线信息广播系统[J].城市公共交通, 2003(4) [10]关积珍.显示发展及其在交通领域的应用[J].产业透视, 2004(6) [11]任来双.车载 LED 大屏幕显示屏的设计理念[J].郑州工业高等专科学校 学报, 2004(3) [12]江丽炜.智能公交电子站牌显示时间预测方法研究[J].交通与计算机, 2006(10) [13]常玉林.胡启洲.城市公交线网优化的线性模型[J].中国公路学报, 2005(18)

附录 1 整体电路图

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